一种基于物联网的室内环境监测系统研究

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摘 要：针对目前的室内环境监测系统存在成本高、测量误差较大等弊端，为实现室内环境参数监测的自动化和实时性，设计了一种基于物联网和无线通信技术的室内环境监测系统。重点研究了室内居住环境舒适性评价模型，得出了室内居住环境舒适性评价结果。实验表明，该系统成本低、功耗小、使用简单、工作稳定、测量精度较高，具有较高的实用价值。

关键词：无线通信技术；物联网；舒适性评价模型；评价结果

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）10-00-03

0 引 言

煤气中毒、家庭失火是现实生活中的突发事故，这些突发事故给室内居住人员的健康和财产安全带来了极大的威胁。如何预防类似突发事故成为困扰室内居住人员多年的难题，因此系统地建立预防煤气中毒和家庭失火突发事故的室内居住环境监测系统成为当务之急[1]。就目前情况而言，室内环境参数监测系统多数为有线方式，这种方式需要大量布线，影响室内美观，而且系统维护和管理也很不方便。而应用比较普遍的无线传感器网络主要针对户外环境恶劣、条件复杂的区域，这些系统需要考虑数据采集、数据融合、数据转发及数据管理等关键问题。然而对于特定的室内环境监测，这些系统则显得过于复杂且实用性低[2]。

本文利用物联网技术和无线通信技术设计了一种室内环境监测系统，克服了传统方式的局域性和区域性，具有移动性强、简单、可靠、经济等优点。

设计选用ZigBee协议或WiFi来组建无线传感器网络[3]。重点研究了影响室内居住人员舒适性的各项环境参数，建立舒适性评价模型，根据建立的舒适度模型分析采集到的数据，得出各项舒适性评价模型值，并通过室内居住人员的舒适性主观评价进行对比和验证。实验测试结果证明，该系统能够有效监测与室内居住环境要素相关的环境参数指标，且各项舒适性评价模型值与室内居住人员舒适性主观评价值的对应关系基本一致，最终给出了可以参考的室内舒适度最高的环境参数值。

1 室内环境监测系统的设计

1.1 采集设备的硬件结构

采集设备的硬件结构主要由电源模块、主控制模块、信息采集模块和无线通信模块四个部分组成。采集设备的硬件结构如图1所示。

无线通信模块负责数据传输，用户可以选择用WiFi模块或者ZigBee模块。信息采集模块负责数据采集，包括温湿度、CO2、可吸入颗粒物RSP、甲醛、噪声、光照度、CO、甲烷和烟雾等。

1.2 采集程序

设备的采集、转换、算法如图2所示。

由图2可知，主控制模块可以根据相应的规定算法将采集到的感知数据的真实值转化为程序规定值，再融合汇总这些采集到的感知数据。具体的融合算法是将程序转化值按照1 B、2 B、4 B进行分类融合汇总，以节省传输数据，减轻采集设备的负担，提高系统稳定性[4]。

1.3 后端监测信息服务平台

后端监测信息服务平台结构如图3所示。后端监测信息服务平台主要由Web云服务器、消息中间件、数据库、终端设备等组成，该后端监测信息服务平台负责存储终端协调器上传的汇总各房间的环境采集数据，并能分析、智能管理采集到的数据，还可通过舒适性评价模型计算出室内居住环境各项环境要素的舒适性评价值。

2 室内环境要素舒适性评价模型研究

参考文献[5]提出了一种简化的空气环境舒适性评价方法，以综合指标对空气环境的舒适性进行评价。可采用甲醛、CO2、RSP作为室内空气舒适性评价的空气环境参数。建立二氧化碳舒适性评价模型PMVCO2，RSP舒适性评价模型PMVPM10，甲醛舒适性评价模型PMVHCHO，并用综合指标建立空气环境舒适性评价模型PMVAQ。

用室内居住人员的主观评价对评价模型进行验证。将舒适性评价模型值“0”，“1”，“2”，“3”与室内居住人员的主观评价“舒适”，“稍不舒适”，“不舒适”，“极不舒适”一一对应。

2.1 二氧化碳舒适性评价模型PMVco2

二氧化碳舒适性评价模型PMVCO2定义为一般空气环境中CO2的体积分数为300400 ppm，其阈值为485 ppm。当室内空气环境中的二氧化碳浓度达到1 000 ppm时，室内居住人员感觉不舒适，即PMVco2=2。因此关键点取485 ppm和1 000 ppm，空气环境的环境参数二氧化碳自变量为Xco2，定义二氧化碳的舒适性评价指数模型PMVco2如下所示：

当PMVco2=0、PMVco2=0.5、PMVco2=1、PMVco2=2、PMVco2=3时，对应的浓度值分别为485 ppm、580 ppm、700 ppm、1 000 ppm、1 500 ppm。

2.2 RSP舒适性评价模型PMVPM10

RSP舒适性评价PMVPM10的定义：一般居住空气环境RSP的背景浓度为0.02 mg/m3左右，当空气环境RSP的浓度达到0.18 mg/m3时，室内居住人员明显感觉不舒适，因此关键点取0.02 mg/m3和0.18 mg/m3，空气环境的环境参数RSP自变量为XPM10，定义RSP舒适性评价模型PMVPM10如下所示：

当PMVPM10=0、PMVPM10=0.5、PMVPM10=1、PMVPM10=2、PMVPM10=3时，对应的浓度值分别为0.02 mg/m3、0.05 mg/m3、0.06 mg/m3、0.18 mg/m3、0.54 mg/m3。

2.3 甲醛舒适性评价模型PMVHCHO

甲醛舒适性评价PMVHCHO的定义：通常室内居住人员的甲醛眼刺激阈值为0.01 mg/m3，当室内空气环境的甲醛浓度达到0.1 mg/m3时，室内居住人员明显感觉不舒适，因此关键点取0.01 mg/m3和0.1 mg/m3，空气环境的环境参数甲醛自变量为XHCHO，定义甲醛的舒适性评价模型如下所示：

当PMVHCHO=0、PMVHCHO=0.5、PMVHCHO=1、PMVHCHO=2、PMVHCHO=3时，对应的浓度值分别为0.01 mg/m3、0.018 mg/m3、0.03 mg/m3、0.1 mg/m3、0.32 mg/m3。

2.4 空气环境舒适性评价模型PMVAQ

空气环境舒适性评价模型PMVAQ的定义：对于居住的空气环境，采用二氧化碳、RSP和甲醛作为空气环境舒适性评价的环境参数。建立二氧化碳舒适性评价模型PMVCO2，RSP舒适性评价模型PMVPM10，甲醛舒适性评价模型PMVHCHO，并用综合指标建立空气环境舒适性评价模型PMVAQ。因此可根据PMVCO2、PMVPM10、PMVHCHO来定义如下所示的空气环境舒适性评价模型PMVAQ：

PMVAQ = MAX（PMVCO2，PMVPM10，PMVHCHO） （4）

3 系统实现和舒适性评价

在中低浓度下，空气环境参数的CO2舒适性评价模型PMVCO2、RSP舒适性评价模型PMVPM10和甲醛舒适性评价模型PMVHCHO与居住人员舒适性主观评价的关系如表1、表2、表3所列。

根据居住环境监测系统采集到的甲醛、CO2、RSP环境参数指标数据，通过建立CO2、RSP、甲醛、空气环境舒适性评价模型来验证空气环境的舒适性评价模型PMVAQ与居住人员舒适性主观评价值的对比关系，室内空气环境的CO2、RSP、甲醛环境参数、空气环境舒适性评价模型值如表4所列。

空气环境舒适性评价模型PMVAQ与居住人员舒适性主观评价值的对比关系如图4所示。

与舒适性主观评价值的对比关系

从图4中可以看出，空气环境的舒适性评价模型PMVAQ与居住人员舒适性主观评价值的对应关系基本一致。为了营造居住人员舒适性主观评价高的居住环境，应该将CO2的浓度控制在700 ppm以下，RSP的浓度控制在0.06 mg/m3以下，甲醛的浓度控制在0.06 mg/m3以下。

4 结 语

利用建立的舒适度模型实现对设备采集到的甲醛、CO2、RSP数据进行实时处理与分析，并能给出一个环境舒适度较高的环境参数的参考值。若有异常情况出现，住所主人可在测试平台上及时观测到，以便于及时采取措施。实验测试表明，该系统具有灵敏度高、运行稳定、实时性强、成本低、功耗小和易于扩展等特点。

参考文献

[1]崔曼，薛惠锋，卜凡彪，等.基于物联网与云计算的环境监测系统研究[J].西安工业大学学报，2013，33（7）：577-582.

[2]S. Tilak， N. B. Abu-Ghazaleh， W Heinzelman. A taxonomy of wireless micro-sensor network models [C]. NY， USA： ACM New York， 2002： 28-36.

[3]Strategy I， UnitP. ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things [Z]. Geneva： International Telecommunication Union （ITU），2005.

[4]吴岳忠，汪涛，周训志，等.基于物联网的家居室内环境在线监控系统研究[J].微型机与应用，2014，33（14）：60-63.

[5]朱赤晖.室内环境的舒适性评价与灰色理论分析研究[D].长沙：湖南大学，2012.